Архитектура современного ПК План лекции n n

Архитектура современного ПК

План лекции n n n Пример архитектуры современного ПК Недостатки последовательной архитектуры Многоядерные процессоры Концепция многопоточности (Hyper-Threading) Современные 4 -ядерные процессоры Intel Core i 7 Примеры архитектур ПК с многоядерными процессорами

Хабовая архитектура Intel Pentium 4 3, 00 ГГц и чипсет 875 P (Canterwood) для двухканальной памяти DDR 400 (2003 г)

Особенности архитектуры n n n Поддержка двух независимых каналов обращения к памяти DDR 400(модулей PC 3200) Поддержка более быстрой системной шины с частотой передачи данных 800 МГц и пропускной способностью 6, 4 Гбайт/сек Наличие у северного моста(системный контроллер) отдельной шины Communication Streaming Architecture для связи с контроллером Gigabit Ethernet, имеющую пропускную способность 266 Мбайт/с Разгрузка Hub-Link (266 Мбайт/с) для связи между мостами чипсета Наличие у южного моста (периферийный контроллер) 8 портов USB 2. 0 и 2 порта интерфейса Serial ATA с поддержкой режима RAID

Классическая одноядерная (однопроцессорная) схема В памяти находится код нескольких программ ( «кирпичики» разного цвета), но в один момент времени процессор выполняет код только одной из них Многозада чность (англ. multitasking) — свойство операционной системы обеспечивать возможность параллельной обработки нескольких процессов.

Недостатки последовательной архитектуры n n Ограничение производительности МП, вследствие наличия фундаментальных физических барьеров. Дальнейшее повышение тактовой частоты (при тактовой частоте более 3, 8 ГГц чипы попросту перегреваются!) упирается в ряд фундаментальных физических барьеров (поскольку технологический процесс почти вплотную приблизился к размерам атома: сегодня процессоры выпускаются по 45 -нм технологии, а размеры атома кремния – приблизительно 0, 543 нм). Несоответствие производительности процессора и памяти, так как время доступа к памяти не соответствует возрастающим тактовым частотам. Ограничение производительности в результате последовательного потока вычислений. Усложнение программ за счет использования разного адресного пространства в режиме мультизадачности.

Вывод, определяющий тенденцию развития архитектур ПК В современной архитектуре ПК ставка должна делаться не на повышение тактовой частоты процессора, а на улучшение параметров процессора – кэш, эффективность и количество ядер

многоядерные микропроцессоры

Что такое ядро процессора n n n В микропроцессоре находится ядро (core) – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора. Ядро расположено на текстолитовой основе, по которой проходят контактные дорожки к «ножкам» (контактным площадкам), залито термическим интерфейсом и закрыто защитной металлической крышкой. Многоядерный процессор – это микропроцессор, содержащий 2 и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.

Что явилось предпосылкой появления многоядерных микропроцессоров?

Концепция многопоточности (Hyper-Threading) Hyper-Threading Technology (HTT) – технология позволяющая выполнять в одноядерном процессоре параллельно несколько программных потоков команд одновременно и тем самым повысить производительность микропроцессоров.

Процессор с поддержкой Hyper. Threading На одном физическом ядре одновременно выполняется параллельная обработка нескольких потоков команд.

Суть концепции многопоточности в одноядерном МП Процессор Pentium 4 с включенным Hyper-threading имеет одно физическое ядро, которое разделено на два логических, поэтому операционная система определяет его, как два разных процессора (вместо одного).

Hyper-threading - трамплин к созданию процессоров с двумя физическими ядрами на одном кристалле В 2 -ядерном чипе параллельно работают два ядра (два процессора!), которые при меньшей тактовой частоте обеспечивают большую производительность, поскольку параллельно (одновременно!) выполняются два независимых потока команд.

Многоядерная (многопроцессорная) система Благодаря наличию двух ядер (процессоров), можно одновременно исполнять коды двух программ

Причины увеличения быстродействия ПК за счёт увеличения количества ядер При полностью распараллеливаемой задаче все ядра могут задействоваться одновременно на всё время. n На частично распараллеливаемой задаче не все ядра могут задействоваться одновременно всё время. А значит, некоторые из них как минимум иногда будут простаивать. n

Практический прирост производительности многоядерных процессоров n n n Двухъядерный процессор на программах обычного пользователя в среднем получает ускорение примерно раза в полтора. 4 -ядерный — примерно в два по сравнению с одноядерным. При запуске «профессиональных» программ кратность ускорения часто почти равна числу ядер.

Вывод Количество ядер актуально в задачах 3 Dграфики и кодирования видео, а также в программах, код которых оптимизирован под многопоточность нескольких ядер. В остальных случаях (например, в офисных и интернет-задачах) они бесполезны.

Об эволюции развития многоядерной архитектуры ПК n n Декабрь 2002 г. – вышли первые десктопные Intel Pentium 4, поддерживающие «виртуальную» 2 -ядерность – технологию Hyper-Threading. 2002 г. – о перспективах использования двух ядер в своих процессорах архитектуры K 8 заявила компания AMD. Практически одновременно с аналогичным заявлением выступила Intel.

Современные 4 -ядерные процессоры Intel Core i 7 17 ноября 2008 г. – Intel представила линейку 4 -ядерных процессоров Intel Core i 7, в основу которых положена микроархитектура нового поколения Nehalem. Процессоры работают на тактовой частоте 2, 6 – 3, 2 ГГц. Выполнены по 45 нм техпроцессу.

Особенности кристалла Core i 7 n Контроллер памяти стал составной частью процессора. Это позволило увеличить скорость работы чипа с модулями оперативной памяти и сделало ненужной фронтальную системную шину FSB. n Динамическое увеличение частоты процессора, зависящей от числа активных ядер и текущей загрузки, от его температуры, чтобы не допустить перегрева ( Технология Intel Turbo Boost) n Появление QPI(Quick. Path Interconnect), действующей в двунаправленном режиме для связи процессора и чипсета. 20 линий данных в одну сторону и 20 линий данных - в другую. Каждая линия представляет собой дифференциальную пару проводников (lane), аналогичную используемым в PCI Express и SATA. Один блок QPI поддерживает 20 линий передачи данных в обоих направлениях со скоростью 6, 4 ГТ/с. Суммарная пропускная способность шины – 25, 6 гигабайт информации в секунду. n Динамическое изменение напряжения питания ядра.

КЭШ память Intel Core i 7

Архитектура Intel X 58 Express (Tylersburg) для Core i 7 С материнской платы ушел контроллер памяти и исчезла шина памяти

Платформа Intel LGA 2011 для high-end систем (2011 г)

Особенности архитектуры Intel LGA 2011 n n Отсутствие северного моста (полностью интегрирован в процессор и связан с ядрами по внутренней шине QPI). Высокопроизводительный 8 ядерный процессор Sandy Bridge Массивы из нескольких видеокарт с шинами PCI Express Четырехканальный доступ к памяти.

Платформа AMD FM 1. (2011 г)

Особенности архитектуры AMD FM 1 n n n В процессор добавлен контроллер шины PCI Express, что позволило избавиться от северного моста и использовать в роли чипсета один только южный мост. Встроенная поддержка интерфейса Serial. ATA 6 Gb/s. Встроенная поддержка последовательной шины USB 3. 0 (четыре порта)

Главные аппаратные факторы, влияющие на рост производительности ПК n n n число физических ядер (логических больше, если у процессора есть технология типа Hyper-Threading); частота физических ядер (при наличии технологии Turbo Boost); полный объём всех кэшей; число контроллеров и шин памяти; Частоты шин чипсета; Технологический процесс(45, 32, 22 нм)

Прерывания

Определения n n n Ситуация, когда микропроцессору требуется ответная реакция на различные события, называется прерыванием Необходимые реакции на различные события обеспечивает в ПК система прерываний. Это комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающих выявление и обработку прерываний Обработка прерываний сводится к приостановке исполнения текущей программы, вместо которой начинает действовать другая программа, соответствующая данному типу прерываний

Типы прерываний n Внешние аппаратные n Внутренние аппаратные n Программные прерывания

Механизм аппаратных прерываний

Стековая память Это регистровая память в МП для организации прерываний

Механизм стека Стек свободен (15)=0, если (УС)=15=1111→ вершина стека (последняя свободная ячейка стека)

Работа стековой памяти Задача 1 – послать А и В в стек 1. А→ 15 (15) =А (УС) -1 =(УС) =1110 =14→ новая вершина стека 2. В→ 14 (14) =В (УС) -1 = (УС) = 1101 =13→ новая вершина стека Заполнение стека происходит с вершины

Работа стековой памяти Задача 2 Считать А и В из стека 1. (УС) +1 = (УС) = 1110 =14 (14) →В (14) = 0 2. (УС) +1 = (УС) = 1111 =15 (15) →А (15) = 0 Освобождение стека происходит в обратной последовательности

Организация обмена между ПУ и ОЗУ

Способы организации обмена данными между памятью и периферийными устройствами n n программно управляемая передача- PIO. Осуществляется при непосредственном участии и под управлением процессора. прямой доступ к памяти - ПДП ( Direct Memory Access - DMA ). Происходит под управлением отдельного устройства контроллера прямого доступа к памяти (КПДП).

Недостаток программно управляемой передачи Нерациональное использование производительности МП, который вынужден выполнять большое количество относительно простых операций, приостанавливая работу над основной программой.

Прямой доступ к памяти -DMA Способ быстродействующего подключения ПУ, при котором оно обращается к оперативной памяти, не прерывая работы процессора.